GPRS工業(yè)應(yīng)用典型案例

廈門銳格科技有限公司

GPRS電力遠程自動抄表系統(tǒng)解決方案

摘要：    本文提供了一種基于GPRS的電力無線數(shù)據(jù)傳輸遠程抄表系統(tǒng)設(shè)計原理和實現(xiàn)方法,，簡要介紹了GPRS的基本知識,，描述了GPRS無線傳輸應(yīng)用與電力抄表的實現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：  GPRS,；INTERNET,；居民小區(qū)抄表；大用戶抄表,；變電站抄表,；

第一部分 系統(tǒng)概述：

GPRS---General Packet Radio Service，通用無線分組業(yè)務(wù),，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù),，提供端到端的、廣域的無線IP連接,。通俗地講,，GPRS是一項高速數(shù)據(jù)處理的技術(shù)，方法是以“分組”的形式傳送資料到用戶手上,。用戶上網(wǎng)可以免受斷線的痛苦,。香港作為第一個進行GPRS實地測試的地區(qū)，已經(jīng)取得了良好的收效,。
使用了GPRS后,，數(shù)據(jù)實現(xiàn)分組發(fā)送和接收，用戶就可以總是在線且按流量計費,，迅速降低了服務(wù)成本,。GPRS的服務(wù)成本僅是CSD(電路交換數(shù)據(jù)，即通常說的撥號數(shù)據(jù),，歐亞WAP業(yè)務(wù)所采用的承載方式)服務(wù)成本的十分之一,。
GPRS電力遠程抄表系統(tǒng)是寧波銳格科技有限公司和系統(tǒng)集成商合作開發(fā)的基于GPRS技術(shù)的用電管理自動抄表系統(tǒng)。它由電度表,、帶GPRS通訊模塊的采集器和服務(wù)器組成,。采集器實時采集用戶的用電數(shù)據(jù)，通過GPRS把數(shù)據(jù)匯集到服務(wù)器,。具有采集數(shù)據(jù)快速準確,，能快速生成用電統(tǒng)計分析,交費單據(jù)等特點，與傳統(tǒng)的人工抄表,、電話線抄表相比,，極大地提高了效率。
本系統(tǒng)除了準確,、實時抄表外,，還提供了設(shè)備管理功能，如告警：開箱告警、停電告警,、逆相告警,、超溫告警、過載告警等,；控制：對欠費用戶進行拉閘等,。并提供停電數(shù)據(jù)保護功能，在停電48--72小時內(nèi)仍可抄表和監(jiān)控,。本系統(tǒng)結(jié)合移動公司的短信平臺,，在告警時，可根據(jù)具體內(nèi)容發(fā)短信給相關(guān)的管理人員,。
本系統(tǒng)提供豐富的接口,，可與電業(yè)系統(tǒng)的MIS系統(tǒng)鏈接或進行二次開發(fā)。
抄表軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為ORACLE數(shù)據(jù)庫,，運行于WIN98/2000/XP,、NT的操作系統(tǒng)，易于使用,。軟件所能管理的用戶數(shù)量沒有限制,。

第二部分 系統(tǒng)組成：

本系統(tǒng)由帶系統(tǒng)軟件的主站、帶GPRS模塊的采集器,、電度表組成,。手持終端是本系統(tǒng)的補充，在系統(tǒng)出現(xiàn)意外時進行人工抄表,。
主站：運行集中抄表系統(tǒng)的計算機（服務(wù)器或PC機）稱為主站,，主站通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與采集器相連。主站要配置一個固定的IP地址和互聯(lián)網(wǎng)出口,。
帶GPRS模塊的采集器：收集電表數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)中心,，它連接主站和電度表。
電度表：計量并顯示用戶的用電情況,，將用電信息傳輸?shù)紾PRS采集器,。
這三個主要的組成部份是相互關(guān)聯(lián)的主從關(guān)系。整個結(jié)構(gòu)如下圖所示：

 

根據(jù)抄表對向的不同我們設(shè)計以下三種抄表模式：
2.1居民用戶抄表系統(tǒng)
1,、電表：1.0級單相靜止式（電子式）電度表,，具有光耦脈沖輸出功能。
2,、帶GPRS功能的采集器（GPRS+RTU）：
（1）24個I/O口,，可帶24戶電度表
（2）停電數(shù)據(jù)保護
（3）帶后備電源，停電后仍可抄表
3,、抄表內(nèi)容：
（1）電量
（2）其他
4,、抄表形式：
（1）自動抄表
（2）定時上報
（3）實時查詢
5,、告警內(nèi)容：
（1）開箱告警
（2）停電告警
1、 可增加遠程控制拉閘功能,，電能表要增加內(nèi)置繼電器,。
2、 技術(shù)指標：
（1）系統(tǒng)容量：
采集器容量：最多接24塊電表,；
系統(tǒng)容量：原則上不受限制,，實際可根據(jù)需要和主站電腦的容量確定,；
（2） 通信距離：
采集器與電表：采用雙芯多股線,，對于機械表，距離≤500m,；對于電子式電表,，距離≤50m。
主站與采集器：采用移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)作為通信介質(zhì),，距離不受限制,；
（3）通信成功率:
主站與采集器之間，采用基于可靠連接的TCP/IP協(xié)議,，通信成功率為100%,。

2.2大集團用戶抄表系統(tǒng)
1、 電表：A）三相有功無功多功能表,，有功0.5級,、無功2級，具有RS-485通訊接口,，電力部DL/T645通訊規(guī)約,。或者使用：B）三相有功復(fù)費率表,，有功1級,，具有RS-485通訊接口，電力部DL/T645通訊規(guī)約,。
實現(xiàn)電能量（有功,、無功）的計量和功率因數(shù)、電壓,、電流,、頻率等參數(shù)的測量。
2,、帶GPRS功能的采集器（GPRS+RTU）：
（1）帶一個與電能表通訊的RS-485或RS-232接口,，一個與主站系統(tǒng)通信的GPRS接口，三個用于報警監(jiān)測的開關(guān)量輸入口和三個用于遠程控制的模擬量輸出口,。
（2）支持部標通信規(guī)約
（3）停電數(shù)據(jù)保護
（4）控制輸出（用于遠程控制拉閘或其他功能）
（5）帶后備電源,，停電后仍可抄表
3,、系統(tǒng)功能
（1）設(shè)置電能表的參數(shù)，讀取各種計量和管理數(shù)據(jù),；
（2）抄表數(shù)據(jù)的統(tǒng)計,、查詢、備份,、報表,、圖表生成；
（3）廠站管理,；
（4）自動抄表,、定時上報、實時查詢等,；
（5）掉電數(shù)據(jù)保存,；
（6）瞬時量數(shù)據(jù)的綜合處理；
（7）系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份,、存檔和向外輸出數(shù)據(jù),；
（8）歷史數(shù)據(jù)事件記錄功能；
（9）實時報警,；
（10）根據(jù)線路上的表計關(guān)系計算線路損耗,；
（11）可提供多路模擬量、開關(guān)量輸入,，實現(xiàn)開箱告警,、停電告警、逆相告警,、超溫告警,、過壓告警、過流告警,、過載告警,、傾斜或移動報警等其他功能；
（12）遠程控制斷電功能,；
（13）采集的參數(shù)豐富,，如：
◆ 當前、上月,、正向有功,、反向有功、無功四象限的總及尖,、峰,、平、谷四費率電量,；
◆ 正向,、反向,、有功、無功的最大需量及最大需量發(fā)生時間,；
◆ 有功功率,、無功功率、三相電壓,、三相電流,、功率因數(shù)；
◆ 感想失壓累計次數(shù),、失壓累計時間,、集抄器停電起止時間等；
◆ 單位時間負荷曲線,、三相電流曲線,、三相電壓曲線,、有功功率曲線,、無功功率曲線、功率因數(shù)曲線,。
7,、技術(shù)指標：
（1）系統(tǒng)容量：
采集器容量：最多接255塊電表；
系統(tǒng)容量：原則上不受限制每表一號,，實際可根據(jù)需要和主站電腦的容量確定,；
（2）通信距離：
采集器與電表：采用雙芯多股線，對于機械表,，距離≤500m,；對于電子式電表，距離≤50m,。
主站與采集器：采用移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)作為通信介質(zhì),，距離不受限制；
（3）通信成功率:
主站與采集器之間,，采用基于可靠連接的TCP/IP協(xié)議,，通信成功率為100%；
（4）完全符合IEC1107標準及國電公司DL/T645《多功能電能表通訊規(guī)約》,；
（5）工作電源：交流220V±20%,，50Hz；
（6）通信速率：1200bps～33.6kbps,；
（7）采集器功耗：≤1.5W
（8）工作環(huán)境條件：溫度：-10℃～50℃,，相對濕度：≤90%；
（9）耐壓強度：2KV,；絕緣電阻：2M歐姆,；
（10）電表數(shù)據(jù)抄收率,、可靠性和讀數(shù)準確率達到100%。

2.3變電站抄表系統(tǒng)
1,、電表：三相有功無功多功能表,。
2、帶GPRS功能的采集器：
（1）帶一個485口,，三個開關(guān)量和三個模擬量,；
（2）支持部標通信規(guī)約；
（3）停電數(shù)據(jù)保護,；
（4）控制輸出,；
（5）帶后備電源，停電后仍可抄表,。

3,、抄表內(nèi)容：
（1）電壓、電流,；
（2）有功正,、反向分時電量；無功四象限分時電量,；
（3）有功正,、反向分時最大需量及發(fā)生時間；
（4）無功正,、反向分時最大需量及發(fā)生時間,；
（5）斷相時間、次數(shù)及斷相期間用電量,；
（6）負荷曲線,。
4、抄表形式：
（1）自動抄表,；
（2）定時上報,；
（3）實時查詢。
5,、告警內(nèi)容：
（1）開箱告警,；
（2）停電告警；
（3）逆相告警,；
（4）超溫告警,；
（5）過壓告警；
（6）過流告警,；
（7）過載告警,；
（8）傾斜或移動報警等其他功能。
6,、技術(shù)指標：
（1）系統(tǒng)容量：
采集器容量：最多接255塊電表,；
系統(tǒng)容量：原則上不受限制每表一號,，實際可根據(jù)需要和主站電腦的容量確定；
（2）通信距離：
采集器與電表：采用RS-485接口及屏蔽雙絞線,，距離≤500m,。主站與采集器：采用GPRS網(wǎng)絡(luò)作為通信介質(zhì)，距離不受限制,；
（3）通信成功率:
主站與采集器之間,，采用基于可靠連接的TCP/IP協(xié)議，通信成功率為100%,。

2.4系統(tǒng)軟件
GPRS自動抄表系統(tǒng)的核心部分是系統(tǒng)軟件,，它遵循DL/T645部標通訊規(guī)約，并有擴展性,。
抄表軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為ORACLE數(shù)據(jù)庫,，運行于WIN98/2000/XP、NT的操作系統(tǒng),，易于使用,。軟件所能管理的用戶數(shù)量沒有限制。
系統(tǒng)的功能與特點有：
(一)安全可靠：安全性由三方面構(gòu)成：第一,，ORACLE數(shù)據(jù)庫是大型的,、多用戶的數(shù)據(jù)庫，它的安全性高,，允許多用戶同時使用同一數(shù)據(jù)庫而不會破壞完整性，用它來做抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)引擎可以保證數(shù)據(jù)的安全,；第二,，系統(tǒng)對用戶實現(xiàn)分級授權(quán)管理功能，通過檢查使用者的名字和授權(quán)密碼,，賦予使用者相應(yīng)的操作權(quán),，借鑒銀行系統(tǒng)的密碼管理模式限制無關(guān)人員改變數(shù)據(jù)庫和硬件設(shè)置。第三,，防火墻功能及完善的數(shù)據(jù)備份功能,，防備系統(tǒng)受到人為的惡意攻擊，數(shù)據(jù)備份功能確保在硬件系統(tǒng)故障時,，也能隨時在新的硬件設(shè)備上數(shù)據(jù)無丟失地啟動抄表系統(tǒng),。
(二)完善的系統(tǒng)日志：系統(tǒng)日志記錄了進入系統(tǒng)，離開系統(tǒng),，收費,，設(shè)置硬件，改變運行參數(shù)操作等及操作者,，操作時間,，凡是改變數(shù)據(jù)庫的操作都被記錄下來,。
(三)抄表速度快：抄表快、數(shù)據(jù)準確,，抄表時PC機只讀采集器的數(shù)據(jù),，數(shù)據(jù)傳輸采用1200波特率，傳輸速度快,，并對每個數(shù)據(jù)塊都有效驗碼,，保證了傳輸?shù)臏蚀_性。
(四)廣播對時功能：該功能使得系統(tǒng)中的所有電能表的時間基準與PC機保持一致,，對時成功后,，由電池供電的電能表內(nèi)部時鐘，不再需要PC機的干預(yù),。因此,，只要保證在對時時刻，PC機的時間是正確的,，以后在運行的過程中,，改變PC機的時鐘并不會影響電能表的時間。
(五)自動抄表功能：按照設(shè)置的抄表開始時間和抄表間隔,，到預(yù)定的抄表時刻,，系統(tǒng)便會依次撥號去抄采集器或電表內(nèi)的數(shù)據(jù)。對于抄不上數(shù)據(jù),，系統(tǒng)會自動補抄或人工發(fā)命令補抄,。
(六)電量凍結(jié)功能：可以方便地定義總表，安裝和刪除總表,，給總表分配分表,。通過安裝適當?shù)目偙恚Y(jié)合抄凍結(jié)數(shù)據(jù)功能,，就可得某一特定的時刻的總表讀數(shù),，各分表的讀數(shù)（由此得到讀數(shù)和），就可以計算出某部分電路的電能損耗,，為確定電費提供依據(jù),。
(七)電費管理功能：收電費前，統(tǒng)一抄錄一次電費數(shù)據(jù),。當確保數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)反映最近的電表讀數(shù)后,，利用程序中的功能自動計算出當月用電量和電費。交納電費時,，只需輸入用戶號,，當月用電量和電費由程序填寫。每筆電費都有詳細記錄，便于對帳,。
(八)設(shè)備管理功能,，如告警：開箱告警、停電告警,、逆相告警,、超溫告警、過載告警,、傾斜或移動報警等,；控制：對欠費用戶進行拉閘等。并提供停電數(shù)據(jù)保護功能,，在停電48--72小時內(nèi)仍可抄表和監(jiān)控,。本系統(tǒng)結(jié)合移動公司的短信平臺，在告警時,，可根據(jù)具體內(nèi)容發(fā)短信給相關(guān)的管理人員,。
本系統(tǒng)適應(yīng)范圍廣泛，單相版的軟件可用于小區(qū)管理,，網(wǎng)絡(luò)版的軟件可用于供電公司實現(xiàn)一座城市或地區(qū)的用電管理,。
以下是系統(tǒng)軟件的主要功能模塊：

第三部分 系統(tǒng)安全：

在系統(tǒng)安全方面，本公司除了采用大型,、多用戶的ORACLE數(shù)據(jù)庫,、系統(tǒng)對用戶實現(xiàn)分級授權(quán)管理和提供防火墻功能及完善的數(shù)據(jù)備份功能外，對GPRS網(wǎng)絡(luò)無線數(shù)據(jù)監(jiān)控中心還提供了安全技術(shù)解決方案,，以確保數(shù)據(jù)安全可靠,。
3.1 GPRS協(xié)議簡介
 GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?
GPRS網(wǎng)是在GSM網(wǎng)的基礎(chǔ)上增加以下功能實體構(gòu)成的：服務(wù)GPRS支持節(jié)點（SGSN）、網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(GGSN)和點對多點服務(wù)中心(PTMSC),。系統(tǒng)共用GSM基站,，但基站要進行軟件更新，并采用新的GPRS移動臺,；GPRS要增加新的移動性管理程序；通過路由器實現(xiàn)GPRS骨干網(wǎng)互聯(lián),；GSM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要進行軟件更新和增加新的MAP信令和GPRS信令等,。
SGSN的主要作用是記錄移動臺的當前位置信息，并且在移動臺和GGSN之間完成移動分組數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收,。GGSN主要是起網(wǎng)關(guān)作用,，它可以和多種不同的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接，如ISDN,、PSPDN和LAN等,。GGSN可以把GSM網(wǎng)中的GPRS分組數(shù)據(jù)包進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而可以把這些分組數(shù)據(jù)包傳送到遠端的TCP／IP或X.25網(wǎng)絡(luò)。
GPRS骨干網(wǎng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示,。


圖1. GPRS骨干網(wǎng)的邏輯結(jié)構(gòu)
 GPRS協(xié)議模型?
移動臺（MS）和SGSN之間的GPRS分層協(xié)議模型如圖2所示,。Um接口是GSM的空中接口。Um接口上的通信協(xié)議有5層,，自下而上依次為物理層,、MAC( Medium Access Control)層、LLC（Logical Link Control）層,、SNDC（Sub-network Dependant Convergence）層和網(wǎng)絡(luò)層,。


圖2. GPRS網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧示意圖
Um接口的物理層為射頻接口部分，而物理鏈路層則負責(zé)提供空中接口的各種邏輯信道,。
MAC為媒質(zhì)接入控制層,。MAC的主要作用是定義和分配空中接口的GPRS邏輯信道，使得這些信道能被不同的移動臺共享,。
LLC層為邏輯鏈路控制層,。它是一種基于高速數(shù)據(jù)鏈路規(guī)程HDLC的無線鏈路協(xié)議。LLC層負責(zé)在高層SNDC層的SNDC數(shù)據(jù)單元上形成LLC地址,、幀字段,，從而生成完整的LLC幀。
BSS中的LLR層是邏輯鏈路傳遞層,。這一層負責(zé)轉(zhuǎn)送MS和SGSN之間的LLC幀,。
SNDC被稱為子網(wǎng)依賴結(jié)合層。它的主要作用是完成傳送數(shù)據(jù)的分組,、打包,，確定TCP／IP地址和加密方式。
網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議目前主要是Phase 2+ 階段提供的TCP／IP和L25協(xié)議,。TCP／IP和X.25協(xié)議對于傳統(tǒng)的GSM網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如BSS和NSS等設(shè)備）是透明的,。

3.2 GPRS與Internet連接
從GPRS結(jié)構(gòu)可以看出，基站與SGSN設(shè)備之間的連接一般通過幀中繼連接,，SGSN與GGSN設(shè)備之間通過IP網(wǎng)絡(luò)連接,。
SGSN可以由具有NAT（網(wǎng)絡(luò)地址翻譯）功能的路由器承擔內(nèi)部IP地址與外部網(wǎng)絡(luò)IP地址的轉(zhuǎn)換，MS可以訪問GPRS內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò),，也可以通過APN（外部網(wǎng)絡(luò)接入點名）訪問外部的PDN/Internet網(wǎng)絡(luò),。
下圖簡單表示了一個移動主機訪問Internet時的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：移動主機與GPRS網(wǎng)絡(luò)之間的通訊發(fā)生在LLC層，移動主機與內(nèi)容服務(wù)器之間的通信控制協(xié)議采用TCP,。


圖3. 模擬網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖
3.3 以GPRS為基礎(chǔ)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)


圖4 GPRS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖
如圖4所示,，圖中的“中心服務(wù)器”即為本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，位于GPRS子網(wǎng)之外,，Internet網(wǎng)絡(luò)之中,，具有公網(wǎng)IP,，它的功能相當于普通的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，但和一般的商業(yè)服務(wù)器相比有兩大特點,，第一,，它是服務(wù)于GPRS子網(wǎng)用戶的服務(wù)器。第二,，它的服務(wù)客戶對象是事先預(yù)知的,。結(jié)合這兩個最為顯著的特點，本系統(tǒng)中提供了以下兩種安全技術(shù)解決方案,。
3.3.1 IP 過濾技術(shù)
由于監(jiān)控中心服務(wù)于GPRS子網(wǎng)用戶,，所有訪問客戶的IP必為GPRS子網(wǎng)內(nèi)的IP ，即所有的用戶必須通過CMNET才可能訪問該服務(wù)器,。因此,，我們在系統(tǒng)中采用了IP過濾技術(shù)，對所有接受的數(shù)據(jù)包進行過濾,，拋棄掉所有的非法IP數(shù)據(jù)報,。這一過程就好像將系統(tǒng)置身于CMNET的防火墻保護之下，所有的非法用戶只有先穿過了CMNET的安全防護才有可能訪問到本系統(tǒng),，但對于安全措施非常強大的CMNET網(wǎng)絡(luò)來說,，這將是非常的困難。
3.3.2 身分授權(quán)和密碼認證體系
采用IP過濾技術(shù)盡管可以防止一些非CMNET網(wǎng)段用戶的侵襲,，但由于系統(tǒng)處于GPRS子網(wǎng)以外,，IP過濾只能起到簡單的安全防護，對于那些利用IP偽裝技術(shù)的非法用戶則無法識別,。
由于該系統(tǒng)是專業(yè)化的服務(wù)系統(tǒng),，訪問客戶是預(yù)先確定的，利用這一特點,，我們在系統(tǒng)中采用了用戶ID和密碼驗證技術(shù),，系統(tǒng)中存儲了有所客戶端的MAC地址以及密碼，對通過了IP過濾的數(shù)據(jù)包,，再驗證其ID號和密碼,。對于該系統(tǒng)以外的非法用戶，獲取合法的MAC地址和密碼將十分困難,，所以這一步極大可能地增加了系統(tǒng)的安全性,。

圖5 數(shù)據(jù)安全技術(shù)解決方案示意圖
3.3.3 數(shù)據(jù)安全加密通道
系統(tǒng)采用標準的SSL數(shù)據(jù)安全通訊協(xié)議在客戶端和服務(wù)器端建立加密數(shù)據(jù)通道，保證私有數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?；系統(tǒng)在應(yīng)用層植入高可靠性的加密算法，使得數(shù)據(jù)在任何網(wǎng)絡(luò)出錯時都可以得到保證的高可靠性,；采用MD5算法產(chǎn)生“報文摘要”已實現(xiàn)對所有發(fā)送報文的數(shù)字簽名,，保證了數(shù)據(jù)傳輸過程中的完整性，防止數(shù)據(jù)被篡改。
3.3.4 訪問過程跟蹤
系統(tǒng)對所有的訪問過程進行日志記錄,，包括用戶身份,、IP、時間,、數(shù)字簽名,、操作事項等信息，向系統(tǒng)管理人員提供了詳細,、完整,、有效的操作證明。